工業(yè)用熱電偶現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題解析

摘要:工業(yè)用熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)普遍采用干體式溫度校準(zhǔn)爐，與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)所使用的檢定爐存在較大的差異，往往在實(shí)驗(yàn)室檢定合格的工業(yè)用熱電偶，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，誤差卻相差很大。因此，從熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、標(biāo)準(zhǔn)儀器等方面對(duì)上述問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終得出影響熱電偶現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的主要因素。
1引言
　　自塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱電偶已經(jīng)成為目前溫度測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的感溫元件之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)溫范圍廣，可以在1K-~2800K的廣闊溫域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量;性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠，此外，還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)與控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)等領(lǐng)域中，廣泛地應(yīng)用熱電偶來測(cè)量溫度。
　　對(duì)工業(yè)用熱電偶的校準(zhǔn)(300℃以上，以下不做說明),在普遍使用檢定爐、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、測(cè)量?jī)x器等設(shè)備,采用比較的方法進(jìn)行。其中，為了減少導(dǎo)熱誤差，必須保證熱電偶的插人深度,檢定爐的長(zhǎng)度一般為600mml;在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用干體式溫度校準(zhǔn)爐、標(biāo)準(zhǔn)儀器等設(shè)備，同樣采用比較的方法:進(jìn)行。但是，干體式溫度校準(zhǔn)爐的深度基本在200mm左右。那么，干體式溫度校準(zhǔn)爐是否適合于所有工業(yè)用熱電偶的校準(zhǔn)?
2熱電偶的有關(guān)概念與基本定律
2.1熱電偶有關(guān)概念
2.1.1熱電偶工作原理
　　由兩種不同金屬或合金A、B組成，如圖1左圖的閉合回路，是最簡(jiǎn)單的熱電偶回路，這兩種不同金屬或合金的組合就稱為熱電偶。
 
　　實(shí)際測(cè)溫中的熱電偶回路如圖1右圖所示，A.B稱為熱電極,它們的一端通常焊接在一起形成接點(diǎn)，稱為測(cè)量端(工作端或熱端)，而另一端稱為參考端(自由端或冷端)。測(cè)溫時(shí)，將熱電偶的測(cè)量端置于被測(cè)溫場(chǎng)中,其參考端恒定在某溫度下(通常為0℃),然后通過連接導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。用測(cè)量?jī)x表測(cè)得電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值后，便可間接知道相應(yīng)的溫度或者直接由測(cè)量?jī)x表指示出溫度。
2.1.2熱電偶回路中的總熱電勢(shì)
　　熱電偶回路中的總熱電勢(shì)為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)的疊加。通過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算后，可以得到以下幾個(gè)重要結(jié)論:
(1)熱電偶回路中總的熱電勢(shì)的大小與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀和幾何尺寸無關(guān)。熱電偶回路中總熱電勢(shì)的方向與熱電偶兩端溫度有關(guān)。由于溫差電勢(shì)較接觸電勢(shì)小得多,故總熱電勢(shì)方向就是測(cè)量端接觸電勢(shì)的方向。
(2)如果熱電偶的兩極材料相同，則兩接點(diǎn)處的接觸電勢(shì)等于零，而兩熱電極的溫差電勢(shì)大小相等，方向相反，回路中總熱電勢(shì)等于零。如果熱電偶兩端溫度相同，則兩熱電極的溫差電勢(shì)等于零，而兩接點(diǎn)處的接觸電勢(shì)大小相等，方向相反，回路中總熱電勢(shì)也等于零。因此，只有當(dāng)熱電偶兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)才有熱電勢(shì)產(chǎn)生。
(3)若組成熱電偶的材料一定，則熱電偶回路中總熱電勢(shì)的大小僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，也就是說:熱電勢(shì)是兩接點(diǎn)溫度的函數(shù)，其大小為兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)差。如果想辦法使熱電偶參考端溫度保持恒定，總熱電勢(shì)只與測(cè)量端溫度有關(guān)，成單值函數(shù)關(guān)系。熱電偶回路中的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系稱為熱電偶的熱電特性。
2.2基本定律.
2.2.1均質(zhì)導(dǎo)體定律
　　由一種均質(zhì)導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路,不論導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的截面和長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如何，都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。
2.2.2中間導(dǎo)體定律
　　在熱電偶回路中接入第三種金屬材料，只要這第三種金屬材料兩端的溫度相同,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)保持不變，不受第三種金屬接入的影響。
　　利用熱電偶的這個(gè)特性，可以在熱電偶回路中引人各種測(cè)量?jī)x表和連接導(dǎo)線，而且也可以采用各種焊接方法來焊接熱電偶，只要保證中間導(dǎo)體本身兩端溫度相同，就不致影響熱電偶的熱電勢(shì)值。同時(shí),根據(jù)這個(gè)基本定律，還可以利用開路熱電偶測(cè)量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。
2.2.3參考電極定律
　　若將某一熱電極作為參考電極(也稱標(biāo)準(zhǔn)電極),若已知參考電極與各熱電極組合配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)，則可求出這些熱電極彼此任意組合時(shí)的熱電勢(shì)。
2.2.4連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律
　　在熱電偶回路中，如果熱電極分別與連接導(dǎo)線相連接，則回路中的總熱電勢(shì)等于熱電偶的熱電勢(shì)與連接導(dǎo)線的熱電勢(shì)的代數(shù)和。
　　連接導(dǎo)線定律為在工業(yè)測(cè)溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。這樣，只要選配與熱電偶的熱電特性相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，便可使熱電偶的參考端遠(yuǎn)離熱源而不影響熱電偶的測(cè)溫正確性。
　　中間溫度定律為使用分度表奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)這個(gè)定律，只要知道參考端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，則參考端溫度不等于0℃的熱電勢(shì)都可求出;反之，若已知參考端溫度不為0℃時(shí)的熱電勢(shì)值，也可以求出參考端為0℃時(shí)的熱電勢(shì)值。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，常用此公式來修正參考端的溫度。
 
3實(shí)驗(yàn)過程描述
3.1實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備
　　采用Fluke744作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器，通過補(bǔ)償導(dǎo)線與被校熱電偶連接,組成測(cè)量電路，根據(jù)中間導(dǎo)體定律與連接導(dǎo)體定律，該測(cè)量電路不影響熱電偶的測(cè)溫。選取的被校熱電偶，如表1所示，分別在干體式溫度校準(zhǔn)爐Fluke9173(自帶L型精密鉑電阻參考測(cè)溫儀)以及臥式檢定爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。恒溫設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下:
 
(1)干體式溫度校準(zhǔn)爐Fluke9173:測(cè)量范圍為50-700℃，井深為203mm;
(2)臥式檢定爐:測(cè)量范圍為300-1200℃,長(zhǎng)度600mm。
 
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與問題探討
　　通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在插人深度為200mm左右的干體式溫度校驗(yàn)爐中的校準(zhǔn)結(jié)果與在插人深度為300mm左右的臥式檢定爐中的校準(zhǔn)結(jié)果的差值，可以得到以下結(jié)果:
長(zhǎng)度在400~1000mm的鎧裝熱電偶與長(zhǎng)度在600mm以下的工業(yè)熱電偶，差值比較小;長(zhǎng)度在600~1000mm的工業(yè)熱電偶，差值比較大。并且該差值隨著熱電偶長(zhǎng)度的增加而增大，隨著實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)的增加而增大。
　　根據(jù)熱電偶的均質(zhì)導(dǎo)體定律,有以下幾個(gè)結(jié)論:
(1)如果熱電偶是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，則熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。
(2)如果熱電偶的熱電極是非均質(zhì)導(dǎo)體，則相當(dāng)于不同性質(zhì)熱電極構(gòu)成的熱電偶。在不均勻溫場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。
對(duì)照結(jié)論(1)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)矛盾:熱電偶的熱電勢(shì)值與插人溫度源中的長(zhǎng)度有關(guān)，而非結(jié)論(1)所描述。
對(duì)照結(jié)論(2)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文對(duì)所選用的熱電偶材質(zhì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)熱電極為均質(zhì)導(dǎo)體。對(duì)插人臥式檢定爐中的深度縮短至200mm左右,結(jié)果得出與干體式溫度校驗(yàn)爐同樣的數(shù)據(jù)。
綜上分析，得到以下結(jié)論:
(1)熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果與插人深度有關(guān)。不論在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)還是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)，容易受環(huán)境溫度等外界條件的影響，也就是說溫差電勢(shì)與接觸電勢(shì)相比，占據(jù)比較大的比例，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可以忽略的程度，只有保證了足夠的插入深度，才可以降低溫差電勢(shì)。因此，我們必須嚴(yán)格按照J(rèn)JG351--1996《工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》以及JJF1262--2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》的要求進(jìn)行，否則將產(chǎn)生比較大的偏差。(2)鎧裝熱電偶在校準(zhǔn)時(shí)，對(duì)溫度源的穩(wěn)定性要求比較高，JJF1262-2010明確要求要配備均溫塊進(jìn)行校準(zhǔn)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，干體式溫度校驗(yàn)爐雖然滿足了插入深度的要求，但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件往往比較惡劣，導(dǎo)致校驗(yàn)爐內(nèi)溫度波動(dòng)比較大，進(jìn)而產(chǎn)生偏差。
(3)工業(yè)熱電偶的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)存在比較麻煩的問題，JJG351-1996中明確規(guī)定熱電偶的插人深度在300mm及以上，而目前干體式溫度校驗(yàn)爐的井深均在250mm以下。因此，對(duì)于長(zhǎng)度在600mm及以上工業(yè)熱電偶，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)是不合適的，存在比較大的偏差;對(duì)于600mm以下的工業(yè)熱電偶，本文認(rèn)為可以嘗試使用配置標(biāo)準(zhǔn)參考溫度計(jì)的干體式溫度校驗(yàn)爐進(jìn)行，如果偏差過大，還需實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。